Интеллектуальные сенсорные системы для беспилотных автомобилей

Большая часть информации о бесплотных автомобилях, освещаемая техническими изданиями, посвящена системам, которые для большинства читателей граничат с научной фантастикой.

Мы слышим о комбинациях датчиков LiDAR с машинным обучением и искусственным интеллектом для идентификации объектов на дороге. Мы трепещем, когда изучаем экзотические сенсорные массивы в сочетании с GPS, картографическим программным обеспечением и постоянно обновляемыми системами дорожного движения для навигации в автомобиле. Но мы редко слышим о столь же важных системах, необходимых для беспилотных автомобилей: индивидуальной интеллектуальной сенсорной системе, которая обычно выполняет одну единственную функцию, например, система датчиков давления.

 Системы подушек безопасности

Когда системы подушек безопасности только появились в автомобилях, они располагались, как правило, только на стороне водителя. Впоследствии производители автомобилей решили защитить и других пассажиров и установили подушки безопасности на стороне пассажира, а в некоторых случаях и на заднем сиденье. Сначала подушки безопасности всегда были включены и раскрывались при столкновении. Системы подушек безопасности спасли множество жизней, но вскоре стало понятно, что, если маленький ребенок или младенец будет надежно закреплен в автокресле со стороны пассажира, подушки безопасности могут причинить больше вреда, чем пользы. Поэтому автопроизводители внедрили ручной способ отключения подушки безопасности на стороне пассажира. Но для этого требуется участие водителя, который может забыть заблокировать работу подушки безопасности. А после выключения может забыть включить, когда на пассажирском месте окажется взрослый человек. Тогда в сиденье стали устанавливать датчик давления (веса).

С датчиком давления в сиденье пассажира у системы безопасности появилась возможность отключать подушку безопасности ориентируясь на давление, действующее на поверхность сиденья. Это был шаг в правильном направлении, но вскоре инженеры обнаружили, что для разного веса им необходимо наполнять подушку с разной скоростью. Также мы знаем, что вес на сиденье может быть просто сумкой продуктов.

Следующим шагом развития системы, возможность выяснить, в каком положении находился человек перед тем, как активировать подушку безопасности. Если пассажир наклоняется к приборной панели, подушка безопасности должна срабатывать более щадяще, т. е. с меньшей скоростью наполнения. Для этого некоторые компании предлагают ткани со встроенными датчиками давления, которую используют в качестве обивки сидения. Система позволяет не только определять положение человека на сиденье, но и отличать установленное автокресло от реального человека. Другие компании предлагают системы с датчиком давления в сочетании с ИК-камерой (потому что она должна работать в темноте), которая может распознавать положение тела пассажира.

В настоящее время электроника для системы датчиков давления выполнена как интегральная схема (ИС), содержащая процессор, что благотворно отразилось на стоимости и габаритных размерах. ИС упростили и унифицировали использование системы датчиков давления для управления подушками безопасности. Беспилотные автомобили больше не нуждаются в системе подушек безопасности на стороне водителя, но пассажирам, безусловно, по-прежнему требуется максимально возможная защита в случае аварии.

Принцип работы сенсорной системы

Базовая сенсорная система состоит из сенсорного устройства, которое формирует аналоговый сигнал, величина которого пропорциональна силе воздействия на него. После обработки сигнала (усиление, фильтрация, очистка), данные используются другими системами автомобиля.

Интеллектуальная (smart) сенсорная система ключевым образом отличается от базовой, поскольку включает в состав аналогово — цифровой преобразователь (A to D). Сигнал в цифровом виде обрабатывается процессором для анализа сигнала и принятия решения (рисунок 1). Именно наличие процессора и программного обеспечения выводит сенсорную систему на совершенно иной уровень. Выходные данные процессора транслируются через цифровую систему информационного обмена к другим системам автомобиля, где данные датчика в дальнейшем используются в качестве входных данных для другой системы.

Рис. 1. Сравнение базовых и интеллектуальных сенсорных систем

Если изменилось положение пассажира, система интеллектуальных датчиков отправляет это предупреждение через автомобильную сеть. Система подушки безопасности реагирует включением или выключением подушки безопасности или настройкой заряда пиропатрона для увеличения или уменьшения скорости наполнения подушки безопасности.

Компоновка устройства

От небольших групп разработчиков до крупных компаний задействованы в выпуске на рынок новых прототипов интеллектуальных датчиков, воплощённые в ИС. Разработка новых датчиков обычно производиться небольшими группами в которых инженеры стараются максимально оптимизировать процесс разработки для быстрого создания работоспособного решения, затрачивая при этом как можно меньше денег. От инженеров требуется разрабатывать все элементы: интерфейсы аналоговых модулей, аналогово-цифровое преобразование A-D, цифровую логику, и все это по невысокой цене по сравнению с традиционным дизайном ИС и систем.

Многие команды разработчиков используют интегрированное решение для проектирования и проверки ИС от Tanner. Почему? Создание интеллектуальной сенсорной системы является сложной задачей из-за наличия нескольких областей проектирования. Создание системы, объединяющей электронику с использованием традиционных КМОП-ИС и датчиков MEMS на одном кремниевом кристалле (рис. 2), может показаться невозможной из-за своей сложности. Фактически, многие из этих систем объединяют несколько устройств в одном корпусе, отделяя электронику от конструкции MEMS датчика.

Рис. 2. МЭМС датчик на КМОП кристалле (Источник: MEMSIC)

Последовательность проектирования микросхемы Tanner AMS (рис. 3) включает в себя методы с использованием одного или нескольких кристаллов для успешного проектирования и проверки устройства.

Рис. 3. Последовательность проектирования Tanner, соединяющая потоки AMS и MEMS

Проектирование электронной части и MEMS на одном кристалле включает следующие этапы (из рисунка 2):

  • Схема может содержать устройства ИС и MEMS датчика. ИС моделируется с использованием моделей SPICE, а устройства MEMS используют поведенческие модели, которые непосредственно моделируются в таких физических аспектах, как механические, электростатические, жидкостные и магнитные (рисунок 4).

Рис. 4. Электроника и MEMS на одной схеме

  • Для поддержки начального моделирования MEMS /ИС разработчики используют System Model Builder для создания модели MEMS с использованием аналитических уравнений в SPICE или Verilog-A. В сочетании с библиотекой моделирования MEMS это позволяет инженерам проверить, что вся конструкция изначально работает должным образом.
  • Используя библиотеку MEMS PCell, инженеры могут разметить компоненты устройства в ИС. Кроме того, библиотека (рис. 5) предоставляет основные схемы компоновки для многих устройств MEMS, которые можно использовать в качестве опорного устройства.

Рис. 5. Палитра библиотеки для создания макетов устройств MEMS

  • Затем инженеры могут создать трехмерную модель для просмотра, виртуального прототипирования и экспорта в ПО анализа методом конечных элементов (FEA).
  • Используя компактный конструктор моделей, инженеры могут создавать поведенческие модели из результатов FEA для использования в окончательном моделировании всей системы.

Традиционно, проектирование MEMS начинается с создания 3D-модели устройства MEMS, а затем анализа физических параметров в стороннем инструменте FEA. Целью проектирования является 2D-маска для изготовления MEMS системы. Процедура создания 2D маски показана на рисунке 6.

Рис. 6. Схема проектирования MEMS с 2D маской

Проектирование начинается с макета 2D-маски в L-Edit. Затем с помощью программы 3D Solid Modeler выполняется компоновка и ряд этапов процесса проектирования 3D для автоматического создания твердотельной 3D модели устройства на кристалле. Используя эту последовательность проектирования с прямыми масками, инженеры могут сосредоточиться на работоспособном устройстве MEMS, поскольку они создают маски, которые, в конечном итоге, будут использоваться для изготовления, а не пытаются работать в обратном направлении от 3D-модели.

Оптимизация стоимости

Разработчики используют специальную технологию проектирования для ИС Tanner интегрируя датчик MEMS в электронную интеллектуальную систему. Размещение всей системы на ИС снижает цену. Поэтому инженеры ищут способы создания систем с более высокой добавочной стоимостью. Один из подходов — разработка системы, объединяющей несколько датчиков для создания более функционального устройства.

Используя датчик гироскопа, который посылает сигнал системе ремня безопасности для автоматического натяжения в рамках подготовки к событию. Кроме того, инженеры могут добавить датчик акселерометра, чтобы упростить процедуру расчета скорости наполнения подушки безопасности независимо от положения пассажира. Объединив три датчика в систему и добавив прогрессивные алгоритмы программного обеспечения, компании могут предложить это многомерное решение производителям автомобилей по более высокой цене.

 

https://eda.sw.siemens.com/en-US/ic/ic-custom/mems-design/